В течение последних четырех дней я получил результаты от Тантала, Хрома, Марганца, Железа, Никеля, Кобальта и Меди... Главный результат заключается в том, что... результат для любого металла довольно легко предугадать из результатов для других. Это показывает, что внутренние части всех атомов очень похожи друг на друга, и из этих результатов будет возможно узнать что-то о том, из чего они состоят.
Henry Gwyn Jeffreys Moseley был английским физиком, чей вклад в науку физику заключался в обосновании физическими законами предыдущей эмпирической и химической концепции атомного номера. Это вытекало из его разработки закона Moseley в спектрах рентгеновского излучения.
Закон Moseley развивал атомную физику, ядерную физику и квантовую физику, предоставив первые экспериментальные доказательства в пользу теории Niels Bohr, помимо спектра атома водорода, который теория Bohr была разработана для воспроизведения. Эта теория уточнила модель Ernest Rutherford и Antonius van den Broek, которая предположила, что атом содержит в своем ядре ряд положительных ядерных зарядов, равный его атомному номеру в периодической таблице. Эта модель остается принятой сегодня.
Когда Первая мировая война началась в Западной Европе, Moseley оставил свою исследовательскую работу в Университете Oxford, чтобы добровольно вступить в Royal Engineers Британской армии. Moseley был назначен в силы британской империи, которые вторглись в регион Gallipoli, Турция, в апреле 1915 года, в качестве офицера связи. Moseley был застрелен и убит во время Battle of Gallipoli 10 августа 1915 года в возрасте 27 лет. Эксперты предположили, что Moseley в противном случае мог бы получить Nobel Prize in Physics в 1916 году.
Биография
Henry G. J. Moseley, известный своим друзьям как Harry, родился в Weymouth в Dorset в 1887 году. Его отец Henry Nottidge Moseley 1844–1891, который умер, когда Moseley был еще совсем молод, был биологом и также профессором анатомии и физиологии в Университете Oxford, который был членом Challenger Expedition. Мать Moseley была Amabel Gwyn Jeffreys, дочь валлийского биолога и малаколога John Gwyn Jeffreys. Она была также британской чемпионкой по шахматам в 1913 году.
Moseley был очень многообещающим школьником в Summer Fields School, где одна из четырех «лиг» названа в его честь, и ему была присуждена King's scholarship для посещения Eton College. В 1906 году он выиграл премии по химии и физике в Eton. В 1906 году Moseley поступил в Trinity College Университета Oxford, где получил степень бакалавра. Во время учебы в Oxford Moseley присоединился к Apollo University Lodge. Сразу же после окончания Oxford в 1910 году Moseley стал демонстратором физики в Университете Manchester под руководством Sir Ernest Rutherford. В течение первого года пребывания Moseley в Manchester он имел нагрузку в качестве выпускника-ассистента преподавателя, но после этого первого года он был переведен из своих преподавательских обязанностей на работу в качестве выпускника-ассистента по исследованиям. Он отклонил стипендию, предложенную Rutherford, предпочитая вернуться в Oxford в ноябре 1913 года, где ему были предоставлены лабораторные помещения, но без финансовой поддержки.
Научные работы
Экспериментируя с энергией бета-частиц в 1912 году, Moseley показал, что высокие потенциалы были достижимы из радиоактивного источника радия, тем самым изобретая первый атомный аккумулятор, хотя он не смог произвести 1MeV, необходимый для остановки частиц.
В 1913 году Moseley наблюдал и измерял спектры рентгеновского излучения различных химических элементов, в основном металлов, которые были обнаружены методом дифракции через кристаллы. Это было новаторское использование метода рентгеновской спектроскопии в физике, использующее закон дифракции Bragg для определения длин волн рентгеновского излучения. Moseley обнаружил систематическую математическую связь между длинами волн рентгеновского излучения, производимого, и атомными номерами металлов, которые использовались в качестве мишеней в рентгеновских трубках. Это стало известно как закон Moseley.
До открытия Moseley атомные номера или элементальный номер элемента считались полупроизвольным последовательным номером, основанным на последовательности атомных масс, но несколько модифицированным там, где химики считали эту модификацию желательной, например русским химиком Dmitri Ivanovich Mendeleev. При изобретении Periodic Table of the Elements Mendeleev переставил порядок нескольких пар элементов, чтобы поместить их в более подходящие места в этой таблице элементов. Например, металлам кобальту и никелю были присвоены атомные номера 27 и 28 соответственно, на основе их известных химических и физических свойств, хотя они имеют почти одинаковые атомные массы. Фактически, атомная масса кобальта немного больше, чем у никеля, что поместило бы их в обратном порядке, если бы они были помещены в Periodic Table вслепую согласно атомной массе. Эксперименты Moseley в рентгеновской спектроскопии показали непосредственно из их физики, что кобальт и никель имеют различные атомные номера 27 и 28, и что они размещены в Periodic Table правильно объективными измерениями Moseley их атомных номеров. Таким образом, открытие Moseley продемонстрировало, что атомные номера элементов - это не просто довольно произвольные числа, основанные на химии и интуиции химиков, а скорее они имеют твердую экспериментальную базу из физики их спектров рентгеновского излучения.
Кроме того, Moseley показал, что были пробелы в последовательности атомных номеров на номерах 43, 61, 72 и 75. Эти пространства теперь известны соответственно как места радиоактивных синтетических элементов technetium и promethium, а также последних двух довольно редких естественно встречающихся стабильных элементов hafnium, открытых в 1923 году, и rhenium, открытых в 1925 году. Ничего не было известно об этих четырех элементах за время жизни Moseley, даже о самом их существовании. Основываясь на интуиции очень опытного химика, Dmitri Mendeleev предсказал существование отсутствующего элемента в Periodic Table, который позже был найден как technetium, и Bohuslav Brauner предсказал существование другого отсутствующего элемента в этой таблице, который позже был найден как promethium. Эксперименты Henry Moseley подтвердили эти предсказания, показав точно, какие были отсутствующие атомные номера, 43 и 61. Кроме того, Moseley предсказал существование двух дополнительных неоткрытых элементов, тех с атомными номерами 72 и 75, и дал очень сильные доказательства того, что не было других пробелов в Periodic Table между элементами алюминий (атомный номер 13) и золото (атомный номер 79).
Этот последний вопрос о возможности дополнительных неоткрытых «недостающих» элементов был долгостоящей проблемой среди химиков мира, особенно учитывая существование большого семейства lanthanide series редкоземельных элементов. Moseley смог продемонстрировать, что эти lanthanide элементы, то есть lanthanum через lutetium, должны иметь ровно 15 членов - не больше и не меньше. Количество элементов в lanthanides была вопросом, который был далеко не решен химиками начала 20-го века. Они еще не могли производить чистые образцы всех редкоземельных элементов, даже в виде их солей, и в некоторых случаях они не могли различить смеси двух очень похожих соседних редкоземельных элементов от близких чистых металлов в Periodic Table. Например, был так называемый «элемент», которому было даже дано химическое название «didymium». «Didymium» был обнаружен несколько лет спустя как просто смесь двух подлинных редкоземельных элементов, и им были даны названия neodymium и praseodymium, означающие «новый близнец» и «зеленый близнец». Также метод разделения редкоземельных элементов методом ion exchange не был изобретен еще в время Moseley.
Метод Moseley в ранней рентгеновской спектроскопии смог быстро разобраться с указанными выше химическими проблемами, некоторые из которых занимали химиков в течение ряда лет. Moseley также предсказал существование элемента 61, lanthanide, чье существование было ранее неожиданным. Вполне немало лет спустя этот элемент 61 был создан искусственно в ядерных реакторах и был назван promethium.
Вклад в понимание атома
До Moseley и его закона атомные номера считались полупроизвольным порядковым номером, расплывчато увеличивающимся с атомным весом, но не строго определяемым им. Открытие Moseley показало, что атомные номера не назначались произвольно, а скорее у них есть определенная физическая основа. Moseley постулировал, что каждый последующий элемент имеет ядерный заряд ровно на одну единицу больше, чем его предшественник. Moseley переопределил идею атомных номеров из его предыдущего статуса как ad hoc численного тега для помощи в сортировке элементов в точную последовательность возрастающих атомных номеров, которая сделала Periodic Table точной. Это позже должно было стать основой Aufbau principle в атомных исследованиях. Как отметил Bohr, закон Moseley предоставил довольно полный экспериментальный набор данных, поддерживающих новую концепцию с 1911 года Ernest Rutherford и Antonius van den Broek атома с положительно заряженным ядром, окруженным отрицательно заряженными электронами, в котором атомный номер понимается как точное физическое число положительных зарядов, позже обнаруженные и названные protons в центральных атомных ядрах элементов. Moseley упомянул двух ученых выше в своей исследовательской статье, но он фактически не упомянул Bohr, который был довольно новичком на сцене. Простые модификации формул Rydberg и Bohr были найдены, чтобы дать теоретическое обоснование эмпирически выведенному закону Moseley для определения атомных номеров.
Использование рентгеновского спектрометра
Рентгеновские спектрометры являются краеугольными камнями рентгеновской кристаллографии. Рентгеновские спектрометры, как их знал Moseley, работали следующим образом. Электронная трубка из стеклянной колбы была использована, похожая на ту, что держал Moseley на фотографии здесь. Внутри вакуумной трубки электроны были направлены на металлическое вещество, то есть образец чистого элемента в работе Moseley, вызывая ионизацию электронов из внутренних электронных оболочек элемента. Возврат электронов в эти отверстия во внутренних оболочках далее вызывает излучение рентгеновских фотонов, которые выводились из трубки в полулучом через отверстие во внешнем рентгеновском экранировании. Затем они были дифрагированы стандартизированным кристаллом соли с угловыми результатами, считываемыми в виде фотографических линий путем экспозиции рентгеновской пленки, зафиксированной вне вакуумной трубки на известном расстоянии. Применение закона Bragg после некоторого начального угадывания средних расстояний между атомами в металлическом кристалле, основанного на его плотности, далее позволило рассчитать длину волны излучаемого рентгеновского излучения.
Moseley участвовал в проектировании и разработке ранней аппаратуры рентгеновской спектрометрии, изучив некоторые техники у William Henry Bragg и William Lawrence Bragg в Университете Leeds, и развив другие самостоятельно. Многие техники рентгеновской спектроскопии были вдохновлены методами, используемыми со спектроскопами видимого света и спектрограммами, путем замены кристаллов, ионизационных камер и фотографических пластин на их аналоги в спектроскопии видимого света. В некоторых случаях Moseley обнаружил необходимость модифицировать его оборудование для обнаружения особенно мягких рентгеновских лучей, которые не могли пройти сквозь воздух или бумагу, работая с его инструментами в вакуумной камере.
Смерть и последствия
Когда-то в первой половине 1914 года Moseley подал в отставку со своей должности в Manchester, с планами вернуться в Oxford и продолжить свои физические исследования там. Однако Первая мировая война началась в августе 1914 года, и Moseley отклонил это предложение о должности, чтобы вместо этого вступить в Royal Engineers Британской армии. Его семья и друзья пытались убедить его не присоединяться, но он считал, что это его долг. Moseley служил техническим офицером в коммуникациях во время Battle of Gallipoli в Турции, начиная с апреля 1915 года, где он был убит в боевых условиях 10 августа 1915 года. Moseley был застрелен в голову турецким снайпером в момент, когда он передавал военный приказ по телефону.
Только в возрасте двадцати семи лет в момент его смерти Moseley мог, по мнению некоторых ученых, внести большой вклад в знания об атомной структуре, если бы он выжил. Niels Bohr сказал в 1962 году, что работа Rutherford «совсем не была воспринята серьезно» и что «большое изменение пришло от Moseley».
Robert Millikan написал: «В исследовании, которое суждено занять место среди дюжины самых блестящих по замыслу, умелых в исполнении и просвещающих результатов в истории науки, молодой человек двадцати шести лет открыл окна, через которые мы можем увидеть субатомный мир с определенностью и уверенностью, о которых никогда раньше не мечтали. Если бы Европейская война имела только один результат - гашение этой молодой жизни - то это одно делает ее одним из самых ужасных и непоправимых преступлений в истории».
George Sarton написал: «Его слава уже была установлена на такой прочной основе, что его память будет зеленой»
.jpg)
